JP2005310426A - 鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛蓄電池に用いる袋状セパレータにおいて発生する左右両側部の剥離とこれによる電池の内部短絡を抑制し、寿命特性の改善を図る。
【解決手段】Ｕ字状に折り曲げたガラスマット２の左右両端を閉じた袋状セパレータを備えた鉛蓄電池において、このＵ字状に折り曲げられたガラスマットの外側の面の左右両端において、一方の外側の面から他方の外側の面にかけて、Ｕ字状のガラスマットの左右両端を閉塞する閉塞部材３を設けて袋状とし、この閉塞部材を塑性変形もしくは弾性変形可能な素材で構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は鉛蓄電池に関するものである。

鉛蓄電池において、活物質の軟化、脱落などによる極板間の内部短絡を防止するために、袋状のセパレータが用いられてきた。液式の始動用鉛蓄電池ではポリエチレン樹脂シートのセパレータを折り曲げ、左右の端を熱溶着などにより袋状とし、この袋状セパレータの中に正極板もしくは負極板を内包することにより、他極と分離するものである。袋状セパレータはその左右の両端が閉じられているため、この部分で、脱落活物質が接触することによる内部短絡が抑制できる。

一方、電池内に極板群から遊離した電解液を殆ど有さない制御弁式鉛蓄電池では、前記したようなポリエチレン樹脂シートのセパレータに替えて、電解液を含浸固定するガラスマットセパレータが用いられている。制御弁式鉛蓄電池の中でも、バックアップ用途のように、バックアップ時を除き、殆ど放電されることのないトリクル用途とは異なり、電動車用途のようなサイクル用途は完全放電あるいは完全放電に近い状態まで行われる放電と、充電とが繰返して行われる。

このようなサイクル用途に制御弁式鉛蓄電池を用いた場合、正極においては格子の伸びと活物質の軟化脱落、負極においては活物質が膨張し、極板間が内部短絡する可能性は高い。また、サイクル用途の制御弁式鉛蓄電池は誤って蓄電池を過放電する頻度も高い。特に電解液量が制限された制御弁式鉛蓄電池を過放電した場合、電解液のｐＨが上昇し、電解液中の鉛イオン濃度が高くなる。このような状態で電池を回復充電した場合、電解液中の鉛イオンが負極上で還元され、デンドライトと呼ばれる樹枝状の鉛結晶が成長し、このデンドライトにより内部短絡が発生する。

このような内部短絡の発生を抑制するため、特許文献１にはガラス繊維マットを折り曲げ、マット同士が対向する面の左右両端に熱溶着性樹脂を介在させ、この熱溶着性樹脂同士を熱溶着して得た袋状のガラス繊維マットセパレータを用いることが示されている。

また、制御弁式鉛蓄電池に限らず、液式の鉛蓄電池においてもガラスマットの袋状セパレータは活物質の軟化脱落とこれによる電池の内部短絡に対して有効であることが知られている。
特開昭６１−８０７５２号公報

しかしながら、特許文献１に示されたような袋状ガラス繊維マットセパレータは正極の格子体の伸びや負極活物質の膨張といった現象により、極板が幅方向に伸びた場合に、左右両端の熱溶着部が剥離し、結果的に極板間が短絡し、寿命が低下するという課題があった。

また、熱溶着部の剥離を抑制するために溶着強度を高める場合、溶着寸法をより確保する必要があり、同一幅のセパレータを用いる場合、極板幅寸法を短くせざるを得ない。その結果、電池の容量が低下するという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、Ｕ字状に折り曲げたガラスマットの左右両端を閉じた袋状セパレータに極板を収納した鉛蓄電池であって、前記Ｕ字状に折り曲げられたガラスマットの外側の面の左右両端において、一方の外側の面から他方の外側の面にかけて、Ｕ字状のガラスマットの左右両端を閉塞する閉塞部材を設けて袋状となし、この閉塞部材は塑性変形もしくは弾性変形可能な素材で構成したことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の鉛蓄電池において、前記閉塞部材の高さ寸法を前記ガラスマットの高さ寸法よりも大とし、ガラスマットの開口した上辺および閉じた下辺から前記閉塞部材が突出してなり、この突出した部分において対向する閉塞部材同士が接合されていることを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

さらに、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１もしくは２の鉛蓄電池において、前記袋状セパレータに収納された極板は、左右の枠骨を有さない格子体を備えた鉛蓄電池を示すものである。

さらに、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１、２もしくは３の鉛蓄電池において、前記閉塞部材の前記袋状セパレータに収納された極板内側方向の側端を少なくとも極板の側端よりも極板内側に位置させた鉛蓄電池を示すものである。

本発明の鉛蓄電池は上記の構成を有し、袋状ガラスマット内の極板が変形しても、袋状ガラスマットの左右両側部における剥離を抑制し、これによる極板間の内部短絡を防止することができ、鉛蓄電池の寿命を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１および図２は、本発明の鉛蓄電池において袋状セパレータ１に極板４が収納された状態を示す図である。袋状セパレータ１はガラスマット２を下辺２ｂでＵ字状に折り曲げられることによって閉じ、上辺２ａが開口している。

Ｕ字状に折り曲げられたガラスマット２の左右の両側部は閉塞部材３が設けられ、この閉塞部材によって、Ｕ字状のガラスマット２の左右両側部が閉じて袋状セパレータ１を構成する。この袋状セパレータ１に一方の極性を有した鉛蓄電池用の極板４が収納されている。

図２は図１のＡ−Ａ´断面を示す図である。図２に示したように、本発明では、Ｕ字状のガラスマット２の外側の面２ｃの左右両端において、一方の外側の面２ｃから他方の外側の面２ｃ´にかけて、Ｕ字状のガラスマット２の左右両端を閉塞する閉塞部材３を設けている。そして、本発明では、この閉塞部材３は塑性変形もしくは弾性変形可能な素材で構成される。閉塞部材３はポリプロピレン樹脂フィルム、ポリエチレン樹脂フィルムやこれらの樹脂の繊維で構成された不織布で構成することができる。この閉塞部材３の内側面３ａにはアクリル系粘着剤やポリプロピレン樹脂系ホットメルト剤を配し、閉塞部材３とガラスマットとを固定することができる。

このようにして得た袋状セパレータ１を用い、以降の工程を常法に従うことにより、本発明の鉛蓄電池を得る。本発明の鉛蓄電池では、閉塞部材３は塑性変形もしくは弾性変形により極板４の幅方向の変形に追随して変形するため、袋状セパレータ１の両側部の剥離を抑制することができる。これにより、蓄電池の内部短絡を抑制し、蓄電池の寿命を改善する。

また、本発明では、特許文献１のように、袋内側でガラスマット同士を接合しないため、閉塞部材３の内側面３ａと極板４の側端４ａ間にガラスマット同士を接合するための接合しろを確保する必要がなく、この部分を極板の変形に対する余裕寸法（図３におけるＸ寸法）として確保できる。また、余裕寸法をより短く設定することにより、より幅広の極板を使用できるため、蓄電池容量確保の面で有効である。

本発明のさらに好ましい構成は図１に示したように、閉塞部材３の高さ寸法（ｈａ）をガラスマットの高さ寸法（ｈｂ）よりも大とし、ガラスマット２の開口した上辺２ａおよび閉じた下辺２ｂから閉塞部材３が突出してさせ、この突出部３ｂにおいて対向する閉塞部材３同士を接合することにより、左右両側部の接合強度を向上できる。また、閉塞部材３を熱溶着性の素材で構成すれば、突出部３ｂでの接合を熱溶着で行うことができ、工程がより簡便となるため好ましい。

本発明では、極板の幅方向への伸び・膨張による袋状セパレータの破損とこれによる内部短絡を抑制する効果が得られる。一方、エキスパンド極板のように、横枠骨を有さない格子体を用いた極板は、横方向に開いた格子升目に充填された活物質が横方向へ膨張しやすい傾向にあり、特に負極において活物質の横方向への膨張は顕著である。本発明はこのような場合であっても、負極活物質の膨張に追従して閉塞部材３が変形し、結果として、袋状セパレータ１の左右両側部の剥離を抑制できるため、特に効果的である。

また、さらに好ましくは、閉塞部材３の極板内側方向の側端３ｃを少なくとも極板４の側端４ａよりも極板内側に位置させる。これにより閉塞部材３の側端３ｃは正極板および負極板に圧縮されるため、閉塞部材３とガラスマット２とを剥離を抑制する上で有効である。また、極板４の側端３ｃと同時に極板４のコーナ部にも閉塞部材３がオーバーラップするため、極板を収納した状態の袋状セパレータを取り扱う場合に発生していた、極板コーナ部による袋状セパレータの破損といった工程上の課題も解消でき、好都合である。

以下、実施例により、本発明の効果を説明する。

前記した本発明の実施の形態による電池と従来例および比較例の電池を作成し、振動試験およびサイクル寿命試験によってこれらの電池の特性を評価した。

１）従来例の電池
２０ｋｇｆ／ｄｍ²加圧時の厚みが１．１０ｍｍのガラスマットをＵ字状に折り曲げたセパレータを用いた電池であり、Ｕ字状ガラスマットの内側に上下の枠骨を有し、左右の枠骨を有さないエキスパンド極板を用いた負極板を配置した。Ｕ字状ガラスマットの両側部から内側８．０ｍｍの位置に負極板の側端が位置するようＵ字状ガラスマットの幅を設定した。この負極板を挟んだＵ字状ガラスマットと正極板とを組合せ、１２Ｖ６０Ａｈの制御弁式鉛蓄電池とし、これを従来例の電池Ａとした。なお、正極板、負極板およびセパレータは互いにその厚み方向に３０ｋｇｆ／ｄｍ²の加圧力（群圧）で圧縮が加えられた状態とした。

２）比較例の電池
２０ｋｇｆ／ｄｍ²加圧時加圧時の厚みが１．１０ｍｍのガラスマットをＵ字状に折り曲げ、左右の内側両側部をオレフィン系ホットメルト剤で貼り合せて袋状セパレータとし、この袋状セパレータに負極板を配置し、正極板と組みまわせて従来例の電池Ａと同様の１２Ｖ６０Ａｈの制御弁式鉛蓄電池とし、これを比較例の電池Ｂとした。袋状セパレータの幅寸法、正極・負極板は従来例の電池Ａと全く同じである。袋状セパレータの左右両側端から内側に５．０ｍｍの幅でホットメルト剤が塗布され、この部分で左右両側部が閉じられている。したがって袋状セパレータの内側寸法は負極板の幅寸法に対して６．０ｍｍ幅広に設定されている。なお、正極板、負極板およびセパレータは互いにその厚み方向に３０ｋｇｆ／ｄｍ²の加圧力（群圧）で圧縮が加えられた状態とした。

３）本発明例の電池
前記した本発明の実施の形態による電池であり、２０ｋｇｆ／ｄｍ²加圧時の厚みが１．１０ｍｍのガラスマットを用いている。閉塞部材として厚み０．１ｍｍのポリプロピレン不織布を用い、比較例の電池で用いたポリオレフィン系ホットメルト剤で閉塞部材をガラスマットに固定して袋状セパレータとした。

また、ガラスマットの上辺２ａおよび下辺２ｂから閉塞部材を２．０ｍｍ突出させ、この突出部においては互いに対向する閉塞部材を熱溶着により接合した。この袋状セパレータに負極板を配置し、正極板と組みまわせて従来例の電池Ａおよび比較例の電池Ｂと同様の１２Ｖ６０Ａｈの制御弁式鉛蓄電池とした（本発明の電池Ｃ）。 袋状セパレータの幅寸法、正極・負極板は従来例の電池Ａおよび比較例の電池Ｂと全く同じである。したがって袋状セパレータの内側寸法は負極板の幅寸法に対して８．０ｍｍ幅広に設定されている。

なお、正極板、負極板およびセパレータは互いにその厚み方向に３０ｋｇｆ／ｄｍ²の加圧力（群圧）で圧縮が加えられた状態とした。また、閉塞部材３の極板内側方向の側端３ｃを極板４の側端４ａよりも３．０ｍｍ、極板内側に位置させた。

上記の従来例の電池Ａ、比較例の電池Ｂおよび本発明例の電池Ｃをそれぞれ正置状態で水平方向に振幅４．０ｍｍ、振動数１６．７Ｈｚで1時間連続の振動を加えた。その後、電池を分解して、セパレータの状態を確認した。その結果、比較例の電池Ａでは袋状セパレータの両側部の一部が剥離していた。一方、本発明例の電池Ｂでは、閉塞部材の穴あき、剥離等の異常は認められず、袋状セパレータの両側部は損傷を受けていなかった。

次にこれらの電池Ａ、電池Ｂおよび電池Ｃのそれぞれについてサイクル寿命試験をおこなった。試験条件は以下の通りである。

１）放電：２０Ａ定電流放電（放電終止電圧１０．５Ｖ）
２）充電：１４．５Ｖ定電圧充電（最大充電電流４０Ａ）、充電時間８時間
試験温度：２５℃
１）の放電において放電持続時間が１００分まで低下したサイクル数を寿命サイクル数とした。

この寿命試験を行った結果を図３に示す。図３に示した結果から、それぞれの電池の寿命サイクル数は、従来例の電池Ａで３１０サイクル、比較例の電池Ｂで３５０サイクル、本発明例の電池Ｃで５７０サイクルであった。図３から２００サイクル近辺まですべての電池は殆ど同じ放電持続時間の推移を示すが、従来例の電池Ａおよび比較例の電池Ｂでは３００サイクル以降、急激な容量の低下が認められた。

これらの寿命試験終了電池の分解調査を行った。その結果、従来例の電池Ａおよび比較例の電池Ｂでは極板両側部の格子骨に囲まれていない部分に充填された負極活物質が横方向へ膨張し、正極板と接触して短絡していた。特に比較例の電池Ｂでは袋状セパレータの両側部の貼り合わせ部分が剥離し、短絡に至っていた。比較例の電池Ｂのように、内側面で貼り合せた場合、負極活物質の膨張により、この貼り合わせ部を引き剥がすような応力がかかるため、容易に貼り合わせ部が剥離し、短絡に至ったものと推測できる。

一方、本発明例の電池Ｃでは、従来例の電池Ａおよび比較例の電池Ｂと同様な負極活物質の膨張が認められたものの、閉塞部材がこの膨張に追随して変形していた。また、閉塞部材の穴あきや、ガラスマットと閉塞部材との剥離は認められなかった。本発明では比較例と異なり、ガラスマット外側から閉塞部材を挟みこむ構成としているので、ガラスマット内部に比較例のような接合しろは必要ではなく、袋状セパレータの内側幅寸法に対する負極板幅寸法の差をより大きく確保できたことが有効に作用している。

すなわち、比較例の電池Ｂでは負極活物質の膨張による負極板の幅方向の伸びが片側３．０ｍｍに達した時点で負極板側端が貼り合わせ部に到達し、以降、この貼り合わせ部を引き剥がす応力が連続して加わる。一方、本発明の電池Ｃでは負極板の幅方向の伸びが片側８．０ｍｍになった時点ではじめて閉塞部材に応力が加わるため、本発明の電池Ｃは比較例の電池Ｂよりも長期間の使用に耐えることができる。

さらに、本発明の電池Ｃでは負極板の幅方向への伸びにより、閉塞部材とガラスマットとの接合面を互いに逆方向にすべらせる応力がかかることになる。制御弁式鉛蓄電池では、負極、セパレータおよび正極板はその面同士を圧接するよう群圧が加えられている。この群圧による加圧力Ｆと正極板−閉塞部材間の静止摩擦係数μとの積で与えられる摩擦力μＦがこのすべり応力の逆方向に発生すること、また、閉塞部材自体が伸びて変形することにより、この応力を緩和でき、結果として閉塞部材の破損や閉塞部材のガラスマットからの剥離を抑制できると推測できる。

なお、実施例において制御弁式鉛蓄電池に適用した例を記載したが、液式の鉛蓄電池についても同様の効果が得られる。特に極板群に群圧を加えることにより、上述した制御弁式鉛蓄電池に得られる効果をすべて得ることができることが確認された。

本発明の鉛蓄電池は極板の膨張による内部短絡を抑制できるため、サイクル用途をはじめ、様々な用途の鉛蓄電池に適用できる。

本発明の実施形態による蓄電池の要部を示す図 本発明の実施形態による蓄電池の要部を示す図 寿命試験結果を示す図

符号の説明

１ 袋状セパレータ
２ ガラスマット
２ａ 上辺
２ｂ 下辺
２ｃ （ガラスマットの外側）面
２ｃ´ （ガラスマットの外側）面
３ 閉塞部材
３ａ 内側面
３ｂ 突出部
３ｃ 側端
４ 極板
４ａ （極板の）側端

Claims (4)

1. Ｕ字状に折り曲げたガラスマットの左右両端を閉じた袋状セパレータを備えた鉛蓄電池であって、前記Ｕ字状に折り曲げられたガラスマットの外側の面の左右両端において、一方の外側の面から他方の外側の面にかけて、Ｕ字状のガラスマットの左右両端を閉塞する閉塞部材を設けて袋状となし、この閉塞部材は塑性変形もしくは弾性変形可能な素材で構成したことを特徴とする鉛蓄電池。
2. 前記閉塞部材の高さ寸法を前記ガラスマットの高さ寸法よりも大とし、ガラスマットの開口した上辺および閉じた下辺から前記閉塞部材が突出してなり、この突出した部分において対向する閉塞部材同士が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄電池。
3. 前記袋状セパレータに収納された極板は、左右の枠骨を有さない格子体を備えることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の鉛蓄電池。
4. 前記閉塞部材の前記袋状セパレータに収納された極板内側方向の側端を少なくとも前記極板の側端よりも極板内側に位置させたことを特徴とする請求項１、２もしくは３に記載の鉛蓄電池。

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